Prawidłowe funkcjonowanie organizmu człowieka uwarunkowane jest właściwym zaopatrywaniem komórek w energię niezbędną do utrzymania ich funkcji, wzrostu i życia. Energia ta czerpana jest z procesów spalania pokarmów, które zachodzą w warunkach tlenowych. Tlen do tych procesów pobierany jest z powietrza w procesie oddychania.

Do wymiany gazowej dochodzi w płucach, gdzie dyfuzja gazów przez ścianę pęcherzyków płucnych odbywa się zgodnie z gradientem ciśnień. Cząsteczki tlenu dyfundują ze światła pęcherzyków do krwi, ponieważ w powietrzu pęcherzykowym prężność tlenu jest większa (PaO₂ = 100 mm Hg) od prężności tlenu we krwi dopływającej do pęcherzyka (PaO₂ = 40 mm Hg). W przeciwnym kierunku dyfundują cząsteczki dwutlenku węgla będące produktem przemiany materii w komórkach. Po przeniknięciu do krwi dwutlenek węgla ponownie, poprzez płuca, zostaje wydalony na zewnątrz.

Tlen rozpuszcza się w osoczu krwi na drodze fizycznej w niewielkiej ilości, która jest niedostateczna do oddychania wewnętrznego na minimalnym poziomie. Obecność hemoglobiny w krwinkach czerwonych pozwala na przeniesienie od 30 do 100 razy więcej tlenu i od 20 do 30 razy więcej dwutlenku węgla, niż gdyby gazy te rozpuszczały się jedynie w osoczu krwi. W temperaturze 37°C 1 litr krwi może przetransportować 200 ml tlenu. Bez nośnika tlenu, jakim jest hemoglobina, krew musiałaby krążyć 90 razy szybciej, żeby zapewnić odpowiednie utlenowanie tkanek.